JP2006349682A - 高圧センサ装置および該高圧センサ装置を製作するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ構造を特に単純化し、従来よりも手間のかからない廉価な製造を可能にする。
【解決手段】圧力センサ素子１が、圧力の影響を受けて変形可能なダイヤフラム３と、機能層５とを有しており、該機能層５が変形時に電気的な特性を変化させるようになっていて、少なくとも１つの電気的な接続範囲を有しており、これらの電気的な接続範囲に半導体構成素子がはんだ層によって直接に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は高圧センサの分野に属する。このようなセンサは主としてハイドロリック技術の分野において、数１０バールから数１００バールまでの圧力を再現可能に測定するために使用される。このようなセンサは構造的に極めて安定していて、かつ耐久性良く形成されていなければならないと同時に、耐食性や安全技術的な信頼性を兼ね備えていなければならない。

高圧センサは自動車の分野でガソリン直接噴射、コモンレールディーゼル直接噴射において、そしてビークルダイナミクスコントロールのハイドロリック装置において、特に大きな個数で使用される。

これらの事例のいずれの場合にも、使用時には絶対的な信頼性、再現可能に正確な測定、フェールセーフ性、温度安定性および低価格性が重要となる。

上記使用事例のためには、ＮｉＣｒＳｉ合金から成るピエゾ抵抗型の機能層を備えた高圧センサ素子を使用することが既に提案されている。また、このようなセンサ素子を、高圧センサ装置自体に配置された評価回路に接続し、ひいては一方ではハイドロリック的な圧力室に接続可能であり、他方では前処理された出力信号を送出する高圧センサ装置を提供することも提案されている。

既存の高圧センサ装置では、機能層の電気的な信号もしくは測定量をボンディングワイヤまたはばねコンタクトエレメントによって、あるいはまたフレキシブルなフィルムに組み込まれた導体によって、相応する評価回路にまで伝送することが既に提案されている。その場合、評価回路は高圧センサ装置のハウジング内で圧力センサ素子とは別個に独立して配置されており、そして前で述べたようにフレキシブルな電気的な接続路によってこの圧力センサ素子とコンタクトされている。評価回路は典型的にプリント配線板またはハイブリッド技術における構造体から成っており、この場合、少なくとも１つの集積回路が、評価回路の複雑な部分を有する半導体チップの形で設けられている。付加的に、ハウジング内部には、高圧センサ装置の電磁的な特性を最適化するために働く別の配線エレメントが種々の構成で設けられていてよい。

しかし、このような構造は制作時に、高圧センサ素子の組込み、評価回路の組込みおよびこれら両素子の電気的な接続といったような複数の個別ステップを必要とする。

本発明の課題は、このようなセンサを特に構造に関して単純化し、これにより従来よりも手間のかからない一層廉価な製造を可能にすることである。

この課題を解決するために本発明の構成では、圧力センサ素子と、特に半導体構成素子の形の電気的な回路とを備えた高圧センサ装置であって、圧力センサ素子が、圧力の影響を受けて変形可能なダイヤフラムと、機能層とを有しており、該機能層が変形時に電気的な特性を変化させるようになっていて、少なくとも１つの電気的な接続範囲を有している形式のものにおいて、前記電気的な回路が、はんだ層によって電気的な前記接続範囲に直接に接続されているようにした。

本発明による構造により、電気的な回路、特に半導体構成素子を、圧力センサ素子に設けられた機能層にはんだによって直接に固定すると同時に、圧力センサ素子に接続範囲において電気的に接続することができる。したがって、圧力センサ素子は電気的な回路をも支持することができる。したがって、これら両素子、つまり半導体構成素子および圧力センサ素子を互いに別個にハウジング内に組み込む必要がなくなる。したがって、電気的な回路もしくは半導体構成素子と圧力センサ素子との電気的な接続と機械的な接続とが、唯１回の作業ステップと、唯１つの構造的な特徴、つまり結合はんだとにまとめられる。この場合、好都合な副作用として、一方では圧力センサ素子への電気的な回路の良好な熱結合が生じ、他方ではリード線等の供給線路の極端な短縮や、電磁放射線の入射による外乱発生率の相応する低減が生じる。

はんだ結合は、結合したい両部分のうちのいずれか一方の部分、つまり圧力センサ素子の機能層か、または電気的な回路、特に半導体構成素子の、圧力センサ素子に面した側の下面に、印刷方法によってまたは類似の公知手段ではんだを被着させ、次いで両部分を炉内でリフロープロセスに施すことによって簡単に実施され得る。

コンデンサや抵抗のような付加的な種々の配線エレメントは半導体構成素子に固く結合されているか、または高圧センサ装置のハウジング内に収納されていて、たとえばあとで樹脂の流し込みによって封止され得る。

半導体構成素子と機能層との結合技術は、フリップチップテクノロジとしてしられている方法を用いて行うことができる。典型的には主としてシリコンから成っている半導体構成素子の、圧力センサ素子に面した側の下面には、僅か数パーセントのシリコンおよび銅の混加物を有するアルミニウムメタライジング部を被着させることができる。このアルミニウムメタライジング部はニッケル層で覆われていてよい。ニッケル層は、たとえば１〜５μｍの厚さを有していてよく、そして「アンダバンプメタライジング部」と呼ばれる。ニッケル層はさらに、防食層である５０ｎｍの薄い金層によって覆われていてよい。

ＮｉＣｒＳｉ合金から成る機能層も、付加的に数μｍの層厚さを有するニッケル層を備えていてよい。

自体公知のバンプ形成法で、たとえばスクリーン印刷で、たとえばＰｂＳｎまたは鉛フリーの場合にはＳｎＡｇＣｕから成るはんだボールが約１００μｍの直径で両面のうちのいずれか一方に被着される。その後に、両部分は目標位置で互いに接合されて、リフロー炉内で公知の形式ではんだの溶融により電気的および機械的に互いに結合される。この場合、バンプコンタクトの間で約２００μｍの最小間隔が容易に変換可能である。

半導体構成素子と機能層との間の、溶融されたはんだによって満たされていない範囲では、有機結合材料、たとえばエポキシ樹脂による充填物（アンダフィル）が考えられる。圧力変化の測定のために必要な機能層の変形を妨げないようにするためには、結合材料が弾性的に形成されていると望ましい。

高い圧力の測定のために典型的に使用される圧力センサ素子のダイヤフラムはしばしば鋼から成っているので、ダイヤフラムと圧電性の機能層との間には、特にこの機能層が、電気的に互いに分離された種々の接続範囲を有している場合には、絶縁層が設けられなければならない。提案された構造により、自動化された加工が可能となり、この場合、たいていの作業ステップはダイヤフラムの、半導体構成素子に面した側の外面（ワーク支持平面）に向けられる。この平面には、まず絶縁層が被着され、その後に機能層が被着され、そしてこの機能層にはんだ付けバンプが位置決めされ、その後にこのはんだ付けバンプに半導体構成素子の形の評価回路が位置決めされる。リフロープロセスの前または後に、この場所には有機結合材料（アンダフィル）も導入され、これによって機能層は外部影響に対して保護される（不動態化）。これによって、高圧センサ装置の構築時における極めて複雑でかつ繊細な作業ステップが唯１つの基準面を起点にして実施可能となる。

その後に、高圧センサは溶接により圧力管片に結合し、こうして形成されたユニットにハウジングを装備することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、圧力センサ素子１が概略的に図示されている。この圧力センサ素子１は鋼基板２とダイヤフラム３と絶縁層４と機能層５とを有している。鋼基板２は、同じく鋼から成るダイヤフラム３と共に圧力室６を取り囲んでいる。この圧力室６はハイドロリック接続部に接続されるので、接続されたハイドロリック室内の圧力はダイヤフラム３に作用することができる。このダイヤフラム３の厚さは、問題となる圧力が加えられるとダイヤフラム３が弾性的な機械的変位を受けるように設定されている。

ダイヤフラム３には、たとえば酸化ケイ素、窒化ケイ素または金属酸化物から成る絶縁層４を挟んで機能層５が被着されている。この機能層５はピエゾ抵抗型の材料、たとえばＮｉＣｒＳｉ合金から成っている。この機能層５はダイヤフラム３の変位に基づき生ぜしめられた変形時に抵抗値変化またはピエゾ電圧を発生させるので、この抵抗値変化またはピエゾ電圧を取り出して測定することができる。

図３には、機能層５の機能素子７，８が示されている。これらの機能素子７，８は接続範囲９，１０，１１，１２と共にブリッジ回路を形成する。これらの接続範囲９，１０，１１，１２では、電気的な信号を取り出して、図２に半導体構成素子１３の形で図示されているような評価回路に供給することができる。この評価回路は、論理ゲートおよび類似の素子の形の相応する半導体機能素子を有するシリコンチップから成っている。

図２に図示したように、機能層に設けられた電気的な接続範囲９，１０，１１，１２は半導体構成素子１３に設けられた接続個所に接続されている。これらの接続個所はそれぞれ半導体構成素子１３に設けられた舌片１４，１５，１６，１７に位置している。これらの舌片１４，１５，１６，１７はそれぞれ小幅のブリッジを介して半導体構成素子１３のコアに接続されている。こうして高い弾性率が達成されるので、機能層５と半導体構成素子１３とが互いに異なる熱膨張率で膨張した場合には、舌片１４，１５，１６，１７の弾性変形によってこの熱膨張差を補償することができる。これらの舌片１４，１５，１６，１７は次のようにして半導体構成素子１３に設けられる。すなわち、まず半導体構成素子１３の片側から溝を加工成形する。これらの溝は半導体構成素子を完全に貫通するのではなく、規定の深さを有している。次いで半導体構成素子１３を他方の側から、溝の底部に到達するまで加工するので、半導体構成素子１３のコアから舌片が分離される。

半導体構成素子１３は前記接続個所に対して付加的にさらに別の接続部１８，１９を有している。これらの接続部１８，１９では、半導体構成素子１３の前処理された測定信号が送出される。図１に符号２０，２１で例示的に示されているような、それぞれ半導体構成素子１３と機能層５との間の導電接続を形成する相応するはんだ付けバンプにより、これらの出力信号は再び機能層５に伝送され、次いで機能層５から接続線材２２，２３によって高圧センサ装置の外部接続部へ伝送される。

図４には、図１に示した実施例の場合と同様の絶縁層４と機能層５とを備えた圧力センサ素子１が示されている。この場合、半導体構成素子１３′もはんだ付けバンプ２０，２１により機能層５に導電接続されている。しかし図１に示した実施例とは異なり、図４に示した実施例では、出力信号は半導体構成素子１３′における処理の後に機能層５に戻されるのではなく、スルーホールメッキ等の貫通接続部２４，２５によって直接に半導体構成素子１３′の上面へ案内され、そしてこの半導体構成素子１３′から接続線材２６，２７によって高圧センサ装置の外部接続部へ伝送される。

図５には、半導体構成素子１３′の相応する平面図が示されている。図５に示したように、図２に示した配置形式と同じ配置形式で接続範囲９，１０，１１，１２が設けられている。しかし、付加的な接続部１８，１９は図２に示した実施例とは異なる形式で実現されており、すなわち既に図４につき説明した貫通接続部２４，２５によって実現されている。

図６には、高圧センサ装置の上で説明した部分がハウジング内に組み込まれた状態が概略的に示されている（図１、図２および図３に示した実施例を参照）。

図１および図４に示した実施例とは異なり、半導体構成素子１３はさらに簡略化されていて、いわゆる「アンダフィル」（図１および図４に符号２８で示す）も図示されていない。アンダフィルは典型的にはエポキシ樹脂から成っていて、半導体構成素子１３，１３′と各機能層５との間の、両はんだ付けバンプ２０，２１の間に位置する中間室を埋めている。さらに、この有機材料は、上で挙げた両部分を互いに固く結合するために働く。しかし、ダイヤフラム変位の際の機能層への影響を阻止するために、アンダフィル材料の所定の弾性率が保証されていなければならない。

図６に示したように、圧力センサ素子１は範囲２９において圧力管片３０と固くかつ液圧密に溶接されている。この範囲２９は六角フランジ３１に固く結合されている。この六角フランジ３１は、半導体構成素子１３を取り囲むプラスチックハウジング３２を支持している。

このハウジング３２はさらに、たとえばコネクタピンを形成することのできる金属ピン３３，３４の形の強固な外部接続部を支持している。金属ピン３３，３４は、はんだ付け材料または封止用の流込み材料３５によってハウジング３２に固く結合されている。リード線もしくは接続線路２２，２３は半導体構成素子１３を外部接続部である金属ピン３３，３４に接続するために働く。この場合、ハウジング３２の内部か、またはさらに外側に位置する別のハウジング（図６には図示していない）の内部には、リード線もしくは接続線路２２，２３に接続されているか、または接続線材２２，２３内に嵌め込まれていてよい種々の切換素子、たとえば抵抗またはコンデンサが配置されていてよい。これらの切換素子は高圧センサ装置の配線のために、たとえば有害な電磁波の入射に対する保護のために働くことができる。ハウジング３２の内部および／またはさらに外側に位置する、図７に示した別のハウジングの一部は、安定化、シールおよび電気的なシールドのために汎用の封止用の流込み材料によって少なくとも部分的に封止されていてよい。

図示の高圧センサ装置は簡単にかつ廉価に製造され得ると同時に、高圧装置に特に簡単に接続可能となる。この場合、送出された測定信号は前処理されていて、簡単に後処理され得る。本発明によれば、前記装置が小さな構成サイズを高い信頼性および安全性と結びつける。もちろん、種々の構成の、有利であると説明した特徴を本発明の枠内で互いに組み合わせることもできる。

高圧センサ装置の一部を概略的に示す縦断面図である。 図１に示した実施例で使用することのできるような半導体構成素子の平面図である。 図２に示した半導体構成素子の下方に位置する機能層の機能エレメントを示す概略図である。 高圧センサ装置の別の実施例を示す縦断面図である。 図４に示した半導体構成素子の平面図である。 図１に示した高圧センサ装置の一部をハウジング内に組み込まれた状態で示す断面図である。 高圧センサ装置全体を示す縦断面図である。 公知先行技術による高圧センサ装置全体を示す縦断面である。 図８に示した公知先行技術による高圧センサ装置の分解斜視図である。

符号の説明

１ 圧力センサ素子、 ２ 鋼基板、 ３ ダイヤフラム、 ４ 絶縁層、 ５ 機能層、 ６ 圧力室、 ７，８ 機能素子、 ９，１０，１１，１２ 接続範囲、 １３，１３′ 電気的な回路または半導体構成素子、 １４，１５，１６，１７ 舌片、 １８，１９ 別の接続部、 ２０，２１ はんだ付けバンプ、 ２２，２３ 接続線材、 ２４，２５ 貫通接続部、 ２６，２７ 接続線材、 ２８ アンダファイル、 ２９ 範囲、 ３０ 圧力管片、 ３１ 六角フランジ、 ３２ プラスチックハウジング、 ３３，３４ 外部接続部である金属ピン

Claims (11)

1. 圧力センサ素子（１）と、特に半導体構成素子の形の電気的な回路（１３，１３′）とを備えた高圧センサ装置であって、圧力センサ素子（１）が、圧力の影響を受けて変形可能なダイヤフラム（３）と、機能層（５）とを有しており、該機能層（５）が変形時に電気的な特性を変化させるようになっていて、少なくとも１つの電気的な接続範囲（９，１０，１１，１２）を有している形式のものにおいて、前記電気的な回路（１３，１３′）が、はんだ層によって電気的な前記接続範囲（９，１０，１１，１２）に直接に接続されていることを特徴とする高圧センサ装置。
2. 機能層（５）が、ダイヤフラム（３）に面状に結合されている、請求項１記載の高圧センサ装置。
3. 機能層（５）とダイヤフラム（３）との間に絶縁層（４）が設けられている、請求項１または２記載の高圧センサ装置。
4. 前記電気的な回路（１３，１３′）が、はんだ層（２０，２１）によって機能層（５）の２つの接続範囲（９，１０，１１，１２）に接続されており、前記電気的な回路（１３，１３′）に前記２つの接続範囲（９，１０，１１，１２）の間で、熱膨張を補償するための少なくとも１つの弾性的な成形エレメント（１４，１５，１６，１７）が設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の高圧センサ装置。
5. ダイヤフラム（３）が鋼から成っている、請求項１から４までのいずれか１項記載の高圧センサ装置。
6. 機能層（５）がピエゾ抵抗型の材料から成っている、請求項１から５までのいずれか１項記載の高圧センサ装置。
7. 機能層（５）がＮｉＣｒＳｉ合金から成っている、請求項６記載の高圧センサ装置。
8. 前記電気的な回路が、半導体構成素子（１３，１３′）の形で、該半導体構成素子の、機能層（５）に面した側の下面に、僅か数パーセントのシリコンおよび銅の混加物を有するアルミニウムメタライジング部を有しており、該アルミニウムメタライジング部がニッケル層で覆われている、請求項１から７までのいずれか１項記載の高圧センサ装置。
9. 前記電気的な回路（１３，１３′）は機能層（５）に、はんだ層が設けられていない少なくとも１つの範囲で、有機結合材料（２８）によって結合されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の高圧センサ装置。
10. 前記電気的な回路（１３，１３′）および圧力センサ素子（１）が、電気的な外部接続部（３３，３４）を有するハウジングによって取り囲まれており、該ハウジング内に付加的に前記電気的な回路（１３，１３′）および／または圧力センサ素子（１）の電気的な配線素子が配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の高圧センサ装置。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の高圧センサ装置を製造するための方法において、前記電気的な回路（１３，１３′）を機能層（５）の接続範囲（９，１０，１１，１２）に結合し、この場合、まず両構成要素のうちのいずれか一方にはんだを被着させ、次いで両構成要素を接合し、かつはんだ付け法によってはんだ付けすることを特徴とする、高圧センサ装置を製造するための方法。

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